Футбольное поле в одном грамме вещества
Химики из Дрезденского технического университета создали ультрапористый материал.
Коль скоро Нобелевская премия по химии в этом году больше относится к биологии, чем к химии, то для разнообразия поговорим о том, что интересного происходит в «настоящем» химическом мире науке.
Вот, например, химики из Дрездена создали материал с рекордной пористостью – один грамм такого вещества имеет площадь поверхности большую, чем площадь целого футбольного поля, а это, на минутку, более 7 000 квадратных метров! Как такое может быть и зачем это в принципе может быть нужно?
Для начала давайте разберёмся, какая вообще бывает поверхность у веществ и как она может оказаться такой огромной. Возьмём, для примера, бильярдный шар: он белый, круглый и определённого размера, а площадь его поверхности можно рассчитать по элементарным формулам. Теперь возьмём дрель и просверлим в этом шаре отверстие, но не насквозь, а, скажем, до середины. Как изменится площадь поверхности такого шара? Она станет больше на величину площади внутренних стенок отверстия. Если мы продолжим рассверливать наш несчастный шар, то сможем сильно увеличить площадь его поверхности. Однако бесконечно проделывать такой фокус у нас не получится – рано или поздно шар, и так уже больше похожий на решето, не выдержит издевательств и развалится на несколько частей.
Так примерно выглядит концепция создания пористых веществ с развитой внутренней поверхностью – чем больше пор в веществе и чем они меньше, тем больше будет их суммарная площадь. Химики уже довольно давно научились создавать такие вещества, у которых на один грамм веса приходится несколько сот квадратных метров площади, их ещё по-другому называют молекулярными ситами. Активированный уголь в вашей аптечке или цеолиты в промышленных химических реакторах – всё это вещества с большой внутренней поверхностью. Тут мы подошли ко второму вопросу – зачем нужны такие вещества.
Логично, что чем больше поверхность, тем больше на ней можно разместить чего-нибудь полезного. Например, можно посадить на поверхность молекулы какого-нибудь вещества. Разные молекулы «любят» разные поверхности, поэтому если из смеси двух веществ одно закрепляется на поверхности, а другое – нет, то на основе этого принципа можно разделять смеси веществ.
Другой распространённый способ использования пористых веществ – это ускорение химических реакций, или катализ. Например, двум молекулам хочется объединиться в одну, но пока они болтаются свободно в пространстве, им это чрезвычайно сложно сделать. Если же они окажутся, что называется, на твёрдой почве, то и взаимодействие между ними пройдёт намного проще и быстрее. Катализатор в данном случае предоставляет молекулам место для взаимодействия, естественно, что чем больше площадь его поверхности, тем эффективнее будет происходить химические реакции. И это лишь несколько самых простых вариантов использования пористых веществ.
Вернёмся же к химикам из Дрездена. Вещество, которое они создали, получило название DUT-60. Оно обладает самой большой площадью внутренней поверхности из всех известных на сегодня твёрдых материалов: 7 800 квадратных метров на один грамм вещества. Это ультрапористое вещество принадлежит к классу металл-органических каркасных структур. Структура таких материалов состоит из ионов металлов или их небольших кластеров, которые связаны между собой длинными органическими молекулами. Получается что-то вроде ячеек из пластилиновых шариков, скрепленных между собой тонкими спицами.
Проблема создания таких материалов состоит в том, что при попытке сделать всё более ажурную конструкцию в какой-то момент эта конструкция «схлопывается» - теряет свою внутреннюю структуру, а вслед за этим и внутреннюю поверхность. Стабилизировать такую ультрапористую структуру можно, поместив её в жидкость. Но высушить её, сохранив первоначальную форму, как правило, не получается. Здесь можно привести аналогию с водорослью: если её вынуть из воды, она тут же слипается и превращается в липкую зелёную массу, совсем не похожую на то красивое растение, которое плавало в воде.
Для решения этой задачи немецкие химики сначала рассчитали предполагаемую структуру DUT-60 на компьютере, доказав её теоретическую возможность. И лишь спустя пять лет им удалось воспроизвести её, что называется, вживую.
Сложность и трудоёмкость синтеза делают этот материал чрезвычайно дорогим, да и количества, в которых оно было получено весьма и весьма невелики – десятки миллиграммов. Однако первое место есть первое место, и оно того стоит. Тем более что это не просто рекорд ради рекорда, но ещё и перспектива создания полезных материалов.
По материалам: Dresden University of Technology, Angewandte Chemie
